СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ОПАСНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД ДОРОЖНОГО СВОДА Российский патент 2020 года по МПК E21F17/18 E21C39/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Настоящее изобретение относится к способу определения участка потенциально опасного пласта породы в своде штрека.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Ежегодно в Китае копаются более 10 000 километров (соответствует диаметру Земли) штреков, что представляет собой наибольшее количество в мире. Вследствие неустойчивости свода часто случаются аварии, составляя около 50% всех аварий на угольных шахтах. На протяжении многих лет развития поддержка на анкерных болтах стала основным способом укрепления штреков, и штреки с поддержкой на болтах составляют от 90% от всех выкапываемых штреков или выше. Наряду с продвижением технологии поддержки на анкерных болтах случается все большее количество обрушений сводов угольных штреков, укрепленных анкерными болтами, представляя большую угрозу для безопасного использования штреков.

[0003] Отечественные и зарубежные специалисты и ученые провели ряд полезных исследований по раннему предупреждению обрушений вследствие неустойчивости сводов угольных шахт. Исследовательские работы, в основном, сосредоточены на механизме растрескивания свода вследствие неустойчивости, методе определения неустойчивости, а также на исследовании и разработке локального контрольного прибора и системы контроля и раннего предупреждения и связанных темах, которые преимущественно включают в себя расширение трещины в своде, определение порога растрескивания, стандартный прибор определения растрескивания (многоточечный измеритель смещений), систему контроля в режиме реального времени и раннего предупреждения и связанные темы. При этом в вышеприведенном процессе исследований пренебрегают вопросом точного определения потенциально неустойчивого обрушающегося участка свода в штреках с поддержкой на болтах, то есть, следующим: какие из мест штрека могут обрушиться вследствие неустойчивости вероятнее всего, каков участок обрушений вследствие неустойчивости, объем монтажных работ для установки локальных контрольных приборов вследствие сложности определения объема использования стандартной компоновки контроля и недостаточная эффективность контроля.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Решение проблемы определения потенциально неустойчивой обрушаемой зоны свода штрека. Согласно настоящему изобретению оценка контроля постепенно выполняется посредством применения трех подходов: испытания на тяговое усилие, контроля скорости бурения и определения растрескивания пласта породы свода для эффективного решения проблемы определения потенциально неустойчивого обрушаемого участка свода. Техническое решение, применяемое в настоящем изобретении, приведено ниже.

[0005] Способ определения потенциально опасного участка пласта породы в своде штрека включает в себя следующие этапы.

[0006] На этапе а проводится испытание на тяговое усилие поддерживающего элемента согласно требованиям такого испытания, и выбирается крайнее тяговое усилие испытуемой зоны в 1,2 раза меньше расчетного усилия крепления поддерживающего элемента.

[0007] На этапе b в пределах 0,5 м от места расположения поддерживающего элемента, подвергающегося испытанию на тяговое усилие, в выбранной зоне высверливается отверстие; регистрируется время, необходимое для прохождения буром каждого метра пласта породы, и скорость бурения отверстия получается путем вычисления; путем сопоставления получают максимальную и минимальную скорости бурения и вычисляют отношение скорости бурения каждого метра отверстия к минимальной скорости бурения для получения участка пласта породы в своде с соотношением выше 2.0.

[0008] На этапе с пробуренное в своде отверстие обследуют устройством отображения отверстий для получения схематического изображения распределения трещин по своду, а также участка ослабления свода вследствие растрескивания.

[0009] На этапе d при обнаружении участка пласта породы в своде с соотношением выше 2,0 сопоставляются отношения пространственных положений участка ослабления свода вследствие растрескивания и участка пласта породы в своде с таким соотношением с целью определения наибольшего участка пласта породы в своде с потенциальной опасностью обрушения; при отсутствии участка пласта породы в своде с соотношением более 2,0 потенциально обрушаемым является участок ослабления свода вследствие растрескивания.

[0010] Согласно вышеприведенному техническому решению глубина отверстия составляет не менее 10 метров.

[0011] Согласно вышеприведенному техническому решению поддерживающий элемент представляет собой анкерный болт.

[0012] Согласно вышеприведенному техническому решению поддерживающий элемент представляет собой анкерный болт или анкерный канат.

[0013] Настоящее изобретение имеет следующие преимущества.

[0014] (1) Потенциально неустойчивый обрушаемый участок штрека получают после полного окончания испытания на тяговое усилие. Вследствие большого охвата предотвращается возникновение высокой рабочей нагрузки, возникающей из-за повторяющегося контроля давления в шахте, и количество монтируемых контрольных приборов уменьшается.

[0015] (2) Потенциально неустойчивый обрушаемый участок пласта породы в своде определяют по трем показателям: крайнему тяговому усилию, скорости бурения и участку ослабления свода вследствие растрескивания, причем полностью учитывается воздействие характеристик анкерного болта, литологии свода и ослабляющего растрескивания на устойчивость свода. Таким образом, обеспечиваются высокая точность, простота рабочей процедуры и уменьшение дополнительной рабочей нагрузки.

[0016] (3) Настоящий способ предложен для эффективного решения задачи определения потенциально неустойчивого обрушаемого участка свода с целью более точной установки контрольных приборов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0017] Для более точного описания технических решений в примерах настоящего изобретения или предыдущего уровня техники ниже будут кратко приведены прилагаемые чертежи, необходимые для описания этих примеров. Очевидно, что чертежи, приведенные ниже, являются только примерами осуществления настоящего изобретения, и специалистами в данной области техники на основании приведенных чертежей без выполнения творческой работы путем дополнения могут быть получены другие чертежи.

[0018] ФИГ. 1 - технологическая схема, на которой показан способ согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения.

[0019] ФИГ. 2 схематическое изображение, на котором показана поддержка на анкерных болтах согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения.

[0020] ФИГ. 3 график, на котором показана скорость бурения каждого метра отверстия согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения.

[0021] ФИГ. 4 - схематическое изображение, на котором показано распределение трещин в своде, полученное при обследовании отверстия согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения.

[0022] Расшифровка числовых обозначений на чертежах: 1 анкерный болт, 2 анкерный канат, 3 металлическая сетка, 4 пластмассовая сетка, 5 уголь, 6 песчаный сланец, 7 - мелкозернистый песчаник, 8 - зона растрескивания и 9 - зона отделения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0023] Далее настоящее изобретение будет описано в сочетании с прилагаемыми чертежами и примерами.

[0024] Как показано на ФИГ. 1-4, в одном примере осуществления настоящего изобретения предлагается способ определения участка потенциально опасного пласта породы в своде штрека. Способ включает в себя следующие этапы.

[0025] На этапе а выполняется тяговое испытание поддерживающего элемента свода путем подбора соответствующего положения секции согласно актуальным требованиям к такому испытанию, причем испытание на тяговое усилие выполняется для каждой секции путем подбора как минимум трех поддерживающих элементов, равномерно расположенных в центре и по обе стороны свода соответственно; тяговые усилия поддерживающих элементов регистрируют, и подбирается зона с показателем крайнего тягового усилия в 1,2 раза меньше расчетного усилия крепления поддерживающего элемента.

[0026] На этапе b в пределах участка, равного 0,5 м, в зоне расположения поддерживающего элемента, проходящего испытание на тяговое усилие, высверливается отверстие; после начала бурения до расчетной глубины отверстия регистрируют время, необходимое буру для прохождения каждого метра пласта породы в своде, с целью получения скорости бурения путем вычислений. При этом делается вывод об изменении литологии пласта породы в своде, путем сопоставления получают максимальную и минимальную скорости бурения и вычисляют отношение скорости прохождения буром каждого метра отверстия к минимальной скорости бурения для определения участка пласта породы в своде с соотношением выше 2,0.

[0027] На этапе с отверстие, пробуренное в своде, обследуют устройством отображения отверстий, составляют схематическое изображение растрескивания свода по распределению трещин, полученному в ходе обследования, и, таким образом, получают участок ослабления свода вследствие растрескивания по глубине

[0028] На этапе d, как показано на гистограмме угольного пласта, при обнаружении участка пласта породы в своде с коэффициентом выше 2,0 сопоставляются отношения пространственных положений участка ослабления свода вследствие растрескивания и участка пласта породы в своде с коэффициентом более 2,0 с целью определения наибольшего участка пласта породы в своде с потенциальной опасностью обрушения; при отсутствии участка пласта породы в своде с соотношением более 2,0 потенциально обрушаемым является участок ослабления свода вследствие растрескивания.

[0029] Предпочтительно, чтобы глубина отверстия составляла не менее 10 метров.

[0030] Предпочтительно, чтобы поддерживающий элемент был представлен анкерным болтом.

[0031] Дополнительно поддерживающий элемент представляет собой анкерный болт или анкерный канат.

[0032] Ниже будет приведено описание с конкретными примерами осуществления. Толщина угольного пласта в основной шахтной угольной выработке 3-1 составляет 4,3-6,8 м. Пласт породы в своде последовательно включает в себя слой песчаного сланца толщиной 2,5-3,6 м, слой мелкозернистого песчаника толщиной 4,5-7,3 м и слой алеврита толщиной 11,2-18,9 м снизу вверх; в нижней части пробивается горизонтальный транспортировочный штрек для формирования штрека прямоугольного сечения с размерами 5,2 м в ширину × 3,6 м в высоту; анкерный болт свода представляет собой стальной анкерный болт диаметром ϕ20 мм с винтовой резьбой и длиной 2,4 м, интервал между анкерными болтами в ряду составляет 0,9×1,0 м, а расчетное усилие крепления - 100 кН; анкерный канат свода имеет диаметр ϕ17,8 мм и длину 6,0 м, причем анкерные канаты скомпонованы в форме прямоугольника по схеме «2-2-2», и интервал между ними в ряду составляет 2,0 м, а не в ряду - 3,0 м, причем расчетное усилие крепления анкерного каната составляет 250 кН; стальной анкерный болт диаметром ϕ20 мм с винтовой резьбой и длиной 2,4 м применяется по бокам, и интервал между этими болтами в ряду составляет 1,0×1.0 м, а расчетное усилие крепления - 80 кН. Подробная компоновка опор приведена на ФИГ. 2.

[0033] Согласно технологической схеме способа, приведенной на ФИГ. 1, применяются следующие этапы.

[0034] На этапе а согласно требованиям испытания на тяговое усилие на месте предписывается обследование ровного ряда из трех анкерных болтов свода в произвольном порядке с промежутком 15 м. Испытание на тяговое усилие выполняется в отношении двух анкерных канатов вблизи ряда анкерных болтов. По результатам испытаний известно, что тяговое усилие анкерного каната, находящегося на расстоянии 300 м от отверстия посередине свода, составляет 216 кН, что явно не превосходит расчетное усилие крепления (300 кН) анкерного каната в 1,2 раза.

[0035] На этапе b высверливают отверстие (диаметр отверстия составляет 32 мм, а глубина - 10,0 м), подобрав подходящее место в пределах зоны 0,5 м от расположения анкерного троса, и регистрируют время, необходимое на прохождение буром каждого метра пласта породы свода для получения скорости бурения путем вычислений, как показано в таблице 1. Изменение литологии пласта породы свода приведено на ФИГ. 3. Таким образом, минимальная скорость бурения составляет 1,1 м, интервал глубин отверстия колеблется в пределах 9,0-10,0 м, а диапазон отношений скорости прохождения буром каждого метра к минимальной скорости бурения, превышающих 2,0, находится в пределах 2,0-3,0 м, 3,0-4,0 м и 4,0-5,0 м соответственно.

[0036] На этапе с отверстие, пробуренное в своде, обследуют устройством отображения отверстий, составляют схематическое изображение растрескивания свода по распределению трещин, полученному в ходе обследования, как приведено на ФИГ. 4, и, таким образом, получают участок ослабления свода вследствие растрескивания до глубины 5,1 м.

[0037] В настоящем изобретении устройство отображения отверстий может быть реализовано в виде телевизионного устройства отображения.

[0038] На этапе d с помощью гистограммы угольного пласта устанавливают, что потенциально обрушаемый участок пласта породы в своде составляет 0,5-1 м. В то же время, длина кабельного каната составляет 6,0 м, а длина открытой законцовки - около 0,4 м, причем длина анкерного сегмента каната, составляющая около 1,2 м, располагается в пределах участка ослабления вследствие растрескивания, и поддерживающая способность анкерного каната значительно понижена, что легко приводит к неустойчивости обеспечения поддержки канатом. Таким образом, рекомендуется нарастить длину анкерного каната до 7,5 м.

[0039] Скорость прохождения буром каждого метра равняется скорости заглубления на каждый метр отверстия, то есть, представляет собой скорость бурения отверстия.

[0040] Описание настоящего изобретения выше приводится посредством примеров осуществления, однако изобретение не ограничивается вышеприведенными конкретными примерами, и любые изменения или модификации, вносимые на основе этого изобретения, должны оставаться в рамках объема его правовой охраны.

Изобретение относится к способу определения потенциально опасного участка пласта породы в своде штрека. Способ включает подбор испытуемого участка с крайним тяговым усилием в 1,2 раза меньше расчетного усилия крепления опорного элемента; высверливание отверстия в пределах участка 0,5 м в месте расположения поддерживающего элемента, подвергающегося испытанию на тяговое усилие, в выбранной зоне, получение скорости высверливания каждого метра отверстия, получение путем сопоставления максимальной и минимальной скоростей бурения, вычисление отношения скорости бурения каждого метра отверстия к минимальной скорости бурения с целью определения участка пласта породы в своде с соотношением выше 2.0; обследование пробуренного в своде отверстия устройством отображения отверстий, получение схематического изображения распределения трещин по своду, а также участка ослабления свода вследствие растрескивания; и определение потенциально обрушаемого участка пласта породы в своде путем сопоставления участка ослабления свода вследствие растрескивания с участком пласта породы в своде, имеющим соотношение, равное 2,0. В настоящем способе последовательно определяется возможность обрушения свода вследствие неустойчивости по трем аспектам: рабочим характеристикам опорного элемента, литологии свода и ослаблению в результате растрескивания, что в результате обеспечивает широкий охват, высокую точность и высокое удобство использования. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Способ определения потенциально опасного участка пласта породы в своде штрека, включающий в себя:

a. проведение испытания на тяговое усилие поддерживающего элемента согласно требованиям такого испытания, а также подбор крайнего тягового усилия испытуемой зоны в 1,2 раза меньше расчетного усилия крепления поддерживающего элемента;

b. высверливание отверстия в пределах участка 0,5 м в месте расположения поддерживающего элемента, подвергающегося испытанию на тяговое усилие, в выбранной зоне; регистрацию времени, необходимого для прохождения буром каждого метра пласта породы, получение скорости бурения отверстия путем вычислений; получение путем сопоставления максимальной и минимальной скоростей бурения и вычисление отношения скорости бурения каждого метра отверстия к минимальной скорости бурения с целью определения участка пласта породы в своде с соотношением выше 2.0;

c. обследование пробуренного в своде отверстия устройством отображения отверстий и получение схематического изображения распределения трещин по своду, а также участка ослабления свода вследствие растрескивания; и

d. сопоставление отношения пространственных положений участка ослабления свода вследствие растрескивания и участка пласта породы в своде с соотношением более 2,0 при обнаружении участка пласта породы в своде с таким соотношением с целью определения наибольшего участка пласта породы в своде с потенциальной опасностью обрушения; при отсутствии участка пласта породы в своде с соотношением более 2,0 выбор участка ослабления свода вследствие растрескивания как потенциально обрушаемого.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что глубина отверстия составляет не менее 10 метров.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поддерживающий элемент представляет собой анкерный болт.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поддерживающий элемент представляет собой анкерный болт или анкерный канат.